Análise do desempenho térmico de um piso radiante hidráulico

UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR

Engenharia

Análise do desempenho térmico de um piso

radiante hidráulico

Pedro Manuel Alves Esdras Martins

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

(2º ciclo de estudos)

Orientador: Prof. Doutor Pedro Nuno Dinho Pinto da Silva

Co-orientador: Prof. Doutor Miguel Costa Santos Nepomuceno

iii

Dedicatória

v

Agradecimentos

Entre todos os que me ajudaram neste caminho e especificamente neste trabalho, gostaria de reiterar os meus sinceros agradecimentos:

Ao meu orientador Prof. Doutor Pedro Nuno Silva e ao meu Co-orientador o Prof. Doutor Miguel Nepomuceno por esta oportunidade, por toda a disponibilidade, por todas as orientações e pela motivação e apoio que prestaram ao longo deste trabalho.

Ao técnico do laboratório de transmissão de calor Sr. João Correia por toda a disponibilidade e ajuda cedida.

A todos os que de uma maneira ou de outra me ajudaram, motivaram e apoiaram durante a realização deste trabalho, em especial os meus colegas e companheiros Luís Jorge e Manuel Gomes.

vii

Resumo

Neste trabalho foi estudado o desempenho térmico de um piso radiante com dois tipos de acabamento de superfície, estudo este realizado numa câmara climática com ambiente controlado.

Este estudo teve como objectivo caracterizar o desempenho térmico do piso para cada tipo de acabamento da superfície e o seu impacto nas condições de conforto térmico no interior da câmara.

Para a realização deste estudo inicialmente simulou-se condições de verão e de inverno no interior da câmara climática, utilizando-se posteriormente o piso para arrefecer e aquecer (respectivamente) o interior da câmara. Este protocolo de ensaio foi utilizado para o ensaio do piso com os dois tipos de acabamento superficial.

A análise do conforto térmico no interior da câmara climática foi feita seguindo-se a norma ISO 7730, a qual utiliza o modelo desenvolvido por Fanger [1] numa câmara climática, para tal foram calculados os índices de conforto térmico (PMV e PPD) através de folhas de cálculo auxiliadas pelo programa VISUAL BASIC.

Estas análises revelaram-se inconclusivas para a determinação de qual o acabamento de superfície do piso radiante com melhor desempenho a nível térmico e de conforto, para o funcionamento em modo de aquecimento, pois ambos os acabamentos de superfície testados apresentaram desempenhos semelhantes. Em modo de arrefecimento o piso com acabamento em cerâmica apresentou um melhor desempenho tanto em termos térmicos como também a nível de conforto.

Palavras-chave

Piso Radiante Hidráulico, Aquecimento, Arrefecimento, Desempenho Térmico, Conforto Térmico

ix

Abstract

In this work was studied the thermal performance of a radiant floor with two types of surface finish, this study was conducted in a climatic chamber with controlled environment.

This study aimed to characterize the thermal performance of the floor for each type of surface finish and its impact on thermal comfort conditions inside the chamber.

For this study were initially simulated conditions of summer and winter climate in the chamber, the floor was then used to cool and heat (respectively) the chamber. This test protocol was used for testing the floor with the two types of surface finish.

The analysis of thermal comfort inside the climatic chamber was performed according to ISO 7730, which uses the model developed by Fanger (1982) [1] in a climatic chamber. Thermal comfort indices (PMV and PPD) were calculated using spreadsheets assisted by the program VISUAL BASIC.

These tests proved to be inconclusive in determining which surface finish of the floor had the best thermal and comfort performance in heating mode, because both surface finishes tested presented similar results. In cooling mode, the floor with the ceramic finish presented a better thermal performance, as well in terms of comfort.

Keywords

xi

Índice

1. Introdução... 1

1.1. Perspectiva Geral ... 1

1.2 O problema em estudo e a sua relevância ... 2

1.3 Revisão bibliográfica ... 3

1.4 Objectivos e contribuição da dissertação ... 8

1.5 Visão geral e organização da dissertação ... 8

2. Piso Radiante ... 11

2.1 Modos de funcionamento ... 12

2.1.1 Piso radiante para arrefecimento ... 13

2.2 Tipos de piso ... 13

2.2.1 Piso radiante de ar ... 14

2.2.2 Piso radiante Eléctrico ... 14

2.2.3 Piso radiante Hidráulico ... 15

2.3 Instalação ... 16

2.4 Disposição das tubagens/resistências eléctricas ... 17

2.5 Temperaturas da superfície do piso ... 18

2.6 Tipos de acabamento da superfície ... 18

2.7 Capacidade de aquecimento e arrefecimento ... 18

2.8 Mecanismos de transferência de calor ... 18

2.8.1 Transmissão de calor no piso radiante ... 20

2.9 Controlo ... 22

2.10 Energia ... 24

2.11 Vantagens ... 25

3. Conforto Térmico ... 27

3.1 Estudo do conforto térmico ... 27

3.2 Norma ISO 7730 ... 28

3.2.1 Parâmetros Individuais ... 28

3.2.2 Trabalho ... 29

3.2.3 Vestuário ... 30

3.2.4 Humidade do ar ... 30

3.2.5 Equação de conforto térmico ... 30

3.2.6 Temperatura exterior do vestuário ... 31

3.2.7 Factor de vestuário ... 31 3.2.8 Coeficiente de convecção ... 32 3.2.9 Evaporação ... 33 3.2.10 Respiração ... 33 3.2.11 Radiação ... 34 3.3 Índice PMV ... 34

3.4 Índice PPD ... 34 4. Instalação experimental ... 37 4.1 Introdução ... 37 4.2 Piso radiante ... 38 4.2.1 Isolante ... 38 4.2.2 Tubagem ... 39 4.2.3 Argamassa ... 39 4.2.4 Revestimento em cerâmica ... 40

4.2.5 Revestimento em piso flutuante ... 40

4.2.6 Aquisição de dados ... 41 4.2.7 Banho Térmico ... 42 4.3 Câmara climática... 43 4.3.1 Estrutura ... 43 4.3.2 Aquisição de dados ... 44 4.3.3 Unidade de tratamento de ar ... 45

4.4 Equipamentos de aquisição de dados ... 46

4.4.1 Equipamento para medição e registo de temperaturas ... 46

4.4.2 Equipamento para medição de humidade relativa ... 47

4.4.3 Equipamento para medição dos parâmetros de conforto térmico ... 48

5. Análise e discussão de resultados ... 51

5.1 Ensaios preliminares ... 51

5.2 Descrição dos ensaios experimentais ... 52

5.2.1 Estabilização da instalação experimental ... 52

5.2.2 Procedimento experimental ... 53

5.2.3 Ensaio de aquecimento ... 54

5.2.4 Ensaio de arrefecimento ... 55

5.3 Análise do desempenho térmico do piso radiante com diferentes acabamentos ... 56

5.3.1 Ensaios de aquecimento ... 56

5.3.2 Arrefecimento ... 59

5.4 Análise do comportamento térmico da câmara ... 62

5.4.1 Aquecimento ... 62

5.4.2 Arrefecimento ... 66

5.5 Análise dos índices de conforto térmico ... 69

5.5.1 Ensaios de aquecimento ... 70

5.5.2 Ensaios de arrefecimento ... 74

5.5.3 Efeito do vestuário e metabolismo nos índices de conforto térmico ... 78

6. Conclusões ... 81

6.1 Funcionamento do piso em modo de aquecimento ... 81

6.2 Funcionamento do piso em modo de arrefecimento ... 82

6.3 Conforto térmico ... 82

xiii

Lista de Figuras

Figura 2.1 – Exemplo da distribuição de temperaturas para vários sistemas de aquecimento ... 12

Figura 2.2 – Exemplo de uma instalação “molhada” e “seca” respectivamente ... 14

Figura 2.3 - Piso radiante por circulação de ar ... 14

Figura 2.4 – Exemplo de uma instalação de um piso radiante eléctrico ... 15

Figura 2.5 - Tubo de PE-X com multi-camada ... 15

Figura 2.6 - Exemplo típico de uma instalação tubular de um piso radiante hidráulico ... 16

Figura 2.7 – Barreira anti-vapor ... 16

Figura 2.8 – Exemplo de disposição das tubagens ... 17

Figura 2.9 – Métodos de transferência de calor dentro da câmara climática ... 19

Figura 2.10 - Esquema da resistência térmica para um sistema de piso radiante ... 21

Figura 2.11 - Composição do piso radiante ... 22

Figura 2.12 – relação entre cargas térmicas relativas e factor de energia dispendido para várias estratégias de controlo ... 24

Figura 3.1 - Gráfico da Área corporal em função da altura e do peso ... 29

Figura 3.2 - Gráfico do Factor de vestuário em função da resistência térmica do vestuário ... 32

Figura 3.3 - Gráfico do Coeficiente de convecção natural em função da diferença de temperatura ... 32

Figura 3.4 - Gráfico do Coeficiente de convecção forçada em função da velocidade ... 33

Figura 3.5 - Gráfico PMV vs. PPD ... 36

Figura 4.1 – Esquema de instalação da tubagem... 39

Figura 4.2 – Esquema do piso radiante em corte ... 40

Figura 4.3 – Imagem da superfície com acabamento em cerâmica ... 40

Figura 4.4 – Imagem da superfície com acabamento em piso flutuante ... 41

Figura 4.5 – Esquema em corte do provete ... 42

Figura 4.6 – Esquema de aplicação dos termopares na secção 2 ... 42

Figura 4.8 – Parede da câmara climática em corte ... 44

Figura 4.9 – Esquema de montagem do piso radiante na câmara climática... 37

Figura 4.10 – Esquema da aplicação dos termopares nas superfícies interiores da câmara climática ... 44

Figura 4.11 – esquema da aplicação dos termopares ao longo da altura da câmara ... 45

Figura 4.12 – Equipamento de controlo de temperatura Cole Parmer Digi Sense ... 46

Figura 4.13 – OMEGA Multiscan 1200 ... 46

Figura 4.14 – Rotronic NT3 com central de ligação DS-U2 ... 47

Figura 4.15 – Sensor temperatura/humidade relativa Hygroclip S... 48

Figura 4.16 – Equipamento INNOVA 1221 instalado na câmara climática ... 48

Figura 4.17 – Sonda de velocidade do ar ... 49

Figura 4.18 – Sonda de Temperatura Operativa MM0060 ... 49

Figura 4.19 – Posição da sonda consoante a posição do utilizador ... 49

Figura 4.20 – Sonda de Temperatura do ar ... 50

Figura 4.21 – Sonda WBGT ... 50

Figura 4.22 – Data Logger Type 1221... 50

Figura 5.1 – Esquema de tempos do procedimento experimental ... 53

Figura 5.2 – Esquema de temperaturas para um ensaio de aquecimento ... 55

Figura 5.3 – Esquema de temperaturas para um ensaio de arrefecimento... 56

Figura 5.4 – Gráfico da Evolução das temperaturas da superfície do piso (secção 5) ao longo do tempo para os vários ensaios de aquecimento acabamento da superfície em cerâmica ... 57

Figura 5.5 – Gráfico da Evolução das temperaturas da superfície do piso (secção 5) ao longo do tempo para os vários ensaios de aquecimento para o acabamento da superfície em piso radiante ... 57

Figura 5.6 – Gráfico da Evolução da diferença de temperaturas da superfície (secção 5) do piso e de insuflação de água ao longo do tempo para os vários ensaios de aquecimento acabamento da superfície em cerâmica... 58

Figura 5.7 – Gráfico da Evolução da diferença de temperaturas da superfície (secção 5) do piso e de insuflação de água ao longo do tempo para os vários ensaios de aquecimento acabamento da superfície em piso flutuante... 59

Figura 5.8 – Gráfico da Evolução das temperaturas da superfície do piso (secção 5) ao longo do tempo para os vários ensaios de arrefecimento acabamento da superfície em cerâmica ... 60

xv Figura 5.9 – Gráfico da Evolução das temperaturas da superfície do piso (secção 5) ao longo do tempo para os vários ensaios de arrefecimento para o acabamento da superfície em piso

radiante ... 60 Figura 5.10 – Gráfico da Evolução da diferença de temperaturas entre superfície (secção 5) do piso e a temperatura de insuflação de água ao longo do tempo para os vários ensaios de

arrefecimento com acabamento da superfície em cerâmica ... 61 Figura 5.11 – Gráfico da Evolução da diferença de temperaturas entre superfície (secção 5) do piso e a temperatura de insuflação de água ao longo do tempo para os vários ensaios de

arrefecimento com acabamento da superfície em piso flutuante ... 61 Figura 5.12 – Gráfico da Evolução do valor de humidade relativa ao longo do tempo para os vários de ensaio de aquecimento para o piso com acabamento em cerâmica ... 62 Figura 5.13 – Gráfico da Evolução do valor de humidade relativa ao longo do tempo para os vários de ensaio de aquecimento para o piso com acabamento em piso flutuante ... 63 Figura 5.14 – Gráfico da Evolução do valor da temperatura das superfícies internas da câmara climática ao longo do tempo para o ensaio de aquecimento com uma temperatura de insuflação de 28ºC e piso com acabamento em cerâmica ... 64 Figura 5.15 – Gráfico da Evolução do valor da temperatura das superfícies internas da câmara climática ao longo do tempo para o ensaio de aquecimento com uma temperatura de insuflação de 28ºC e piso com acabamento em piso flutuante ... 64 Figura 5.16 – Gráfico da Evolução do valor da temperatura da temperatura média do ar,

temperatura média radiante e temperatura média da superfície do piso ao longo do tempo para o ensaio de aquecimento com uma temperatura de insuflação de 28ºC e piso com acabamento em cerâmica... 65 Figura 5.17 – Gráfico da Evolução do valor da temperatura da temperatura média do ar,

temperatura média radiante e temperatura média da superfície do piso ao longo do tempo para o ensaio de aquecimento com uma temperatura de insuflação de 28ºC e piso com acabamento em piso flutuante... 65 Figura 5.18 – Gráfico da Evolução do valor de humidade relativa ao longo do tempo para os vários de ensaio de arrefecimento para o piso com acabamento em cerâmica ... 66 Figura 5.19 – Gráfico da Evolução do valor de humidade relativa ao longo do tempo para os vários de ensaio de arrefecimento para o piso com acabamento em piso flutuante ... 67 Figura 5.20 – Gráfico da Evolução do valor da temperatura das superfícies internas da câmara climática ao longo do tempo para o ensaio de arrefecimento com uma temperatura de

insuflação de 18ºC e piso com acabamento em cerâmica... 67 Figura 5.21 – Gráfico da Evolução do valor da temperatura das superfícies internas da câmara climática ao longo do tempo para o ensaio de arrefecimento com uma temperatura de

insuflação de 18ºC e piso com acabamento em piso flutuante... 68 Figura 5.21 – Gráfico da Evolução do valor da temperatura da temperatura média do ar,

temperatura média radiante e temperatura média da superfície do piso ao longo do tempo para o ensaio de arrefecimento com uma temperatura de insuflação de 18ºC e piso com acabamento em cerâmica... 68

Figura 5.22 – Gráfico da Evolução do valor da temperatura da temperatura média do ar,

temperatura média radiante e temperatura média da superfície do piso ao longo do tempo para o ensaio de arrefecimento com uma temperatura de insuflação de 18ºC e piso com acabamento em piso flutuante... 69 Figura 5.23 – Indices de conforto térmico no final dos ensaios de aquecimento (24h) para o piso radiante com acabamento em cerâmica ... 71 Figura 5.24 – Distribuição do PMV vs PPD ao longo do tempo para um ensaio de aquecimento com uma temperatura de insuflação de 28ºC e piso com acabamento de superfície em cerâmica ... 72 Figura 5.25 – indices de conforto térmico no final dos ensaios de aquecimento (24h) para o piso radiante com acabamento em piso radiante ... 73 Figura 5.26 – Distribuição do PMV vs PPD ao longo do tempo para um ensaio de aquecimento com uma temperatura de insuflação de 28ºC e piso com acabamento de superfície em piso flutuante ... 74 Figura 5.27 – índices de conforto térmico no final dos ensaios de arrefecimento (22h) para o piso radiante com acabamento em cerâmica ... 75 Figura 5.28 – Distribuição do PMV vs PPD ao longo do tempo para um ensaio de arrefecimento com uma temperatura de insuflação de 18ºC e piso com acabamento de superfície em cerâmica ... 76 Figura 5.29 – índices de conforto térmico no final dos ensaios de arrefecimento (22h) para o piso radiante com acabamento em piso flutuante ... 77 Figura 5.30 – Distribuição do PMV vs PPD ao longo do tempo para um ensaio de arrefecimento com uma temperatura de insuflação de 18ºC e piso com acabamento de superfície em piso flutuante ... 78 Figura 5.31 – Distribuição do PMV vs PPD ao longo do tempo para um ensaio de aquecimento com uma temperatura de insuflação de 20ºC e piso com acabamento de superfície em piso flutuante (MET=1,2; Ivest=1) ... 79

Figura 5.32 – Distribuição do PMV vs PPD ao longo do tempo para um ensaio de aquecimento com uma temperatura de insuflação de 20ºC e piso com acabamento de superfície em piso flutuante (MET=1,8; Ivest=1) ... 80

Figura 5.33 – Distribuição do PMV vs PPD ao longo do tempo para um ensaio de aquecimento com uma temperatura de insuflação de 20ºC e piso com acabamento de superfície em piso flutuante (MET=1,2; Ivest=0,5) ... 80

xvii

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Temperatura do piso, temperatura média do aquecimento médio e efeito de auto

controlo do piso radiante em percentagem ... 23

Tabela 3.1 - Nível de metabolismo em função da actividade desenvolvida ... 29

Tabela 3.2 - Resistência térmica do vestuário ... 30

Tabela 4.1 – Características técnicas do isolante térmico da marca Iberfibran ... 38

Tabela 4.2 – Características técnicas do tubo Cristaflex ... 39

Tabela 4.3 – limites da temperatura de operação dos quatro mais comuns tipos de termopares ... 41

Tabela 4.4 – Identificação dos vários níveis de construção/aplicação dos provetes ... 42

Tabela 4.5 Lista de termopares utilizados ... 47

Tabela 5.1 – Valores utilizados para o cálculo dos índices de conforto térmico no final (24h) dos ensaios de aquecimento para o piso com acabamento em cerâmica ... 70

Tabela 5.2 – Valores utilizados para o cálculo dos índices de conforto térmico no final (24h) dos ensaios de aquecimento para o piso com acabamento em cerâmica ... 72

Tabela 5.3 – Valores utilizados para o cálculo dos índices de conforto térmico no final (22h) dos ensaios de arrefecimento para o piso com acabamento em cerâmica... 74

Tabela 5.4 – Valores utilizados para o cálculo dos índices de conforto térmico no final (22h) dos ensaios de arrefecimento para o piso com acabamento em piso flutuante... 76

Tabela 5.5 – Valores utilizados para o cálculo dos índices de conforto térmico para o ensaio de aquecimento (temperatura de insuflação = 20ºC) do piso radiante com acabamento da superfície em piso flutuante ... 78

xix

Lista de Siglas

a Altura [m]

ASHRAE American Society of Heating, Refrigeration, and Air-Conditioning Engineers fvest Factor de vestuário, adimensional;

h Coeficiente de convecção entre a superfície exterior do vestuário e o ar exterior [W/m2.K];

ISO International Organization for Standardization Ivest Resistência térmica de vestuário [m2.K/W] ou [clo],

M Metabolismo [W/m2] ou [met];

m Massa [kg];

Pvap Pressão parcial do valor de água do ar ambiente [Pa];

QCond Calor transferido por condução [W/m2];

QConv Calor transferido por convecção [W/m2];

QEvap Calor transferido por evaporação [W/m2];

QRad Calor transferido por radiação [W/m2];

RCCTE Regulamento das Características de Conforto Térmico de Edifícios RSECE Regulamento dos Sistemas de Energia de Climatização em Edifícios S Termo de acumulação de energia no corpo [W/m2];

SCE Sistema de Certificação de Edifícios ta Temperatura média do ar ambiente [ºC];

Tins Temperatura da água insuflada no piso radiante [ºC];

tpele Temperatura da pele do corpo humano [ºC];

tr Temperatura média radiante dos elementos opacos do espaço [ºC]

Tsup Temperatura da superfície do piso radiante [ºC];

tvest Temperatura exterior do vestuário [ºC];

var Velocidade média do ar [m/s];

xxi

Simbologia

ɸ Humildade relativa do ar atmosférico [%];

ε Emissividade da superfície exterior do corpo vestido; ε~0,97, valor médio entre a pele e roupas comuns;

1

1. Introdução

1.1. Perspectiva Geral

O conforto ambiental proporcionado pelos edifícios aos seus ocupantes assume uma crescente importância na fase de projecto dos mesmos, enquanto factor condicionante da saúde e produtividade de quem os utiliza.

A par do aumento demográfico mundial nas últimas seis décadas, mais que duas vezes [2] verificou-se, para o mesmo período, que a economia mundial quintuplicou [3], sendo esta evolução acompanhada pela melhoria das condições de vida das populações, especialmente dos países desenvolvidos.

Em consonância com o desenvolvimento tecnológico e aumento do padrão de vida das sociedades modernas, a concepção dos edifícios ocupados pelo Homem, quer para habitação quer para trabalho ou lazer, passou a ser orientada por um conjunto de exigências funcionais nas quais o conforto ganha particular destaque por ser de percepção imediata e directa para o utilizador.

Atendendo a que no dia-a-dia o Homem passa grande parte do seu tempo dentro das edificações, torna-se importante garantir que os edifícios projectados e construídos ofereçam níveis de conforto adequados, os quais são determinados por factores como a poluição do ar interior, o ruído, a iluminação e o ambiente térmico. Neste contexto, tendo em conta a condição de homeotermia do ser humano (manutenção de uma temperatura interna corporal aproximadamente constante), o balanço térmico entre o corpo dos utilizadores do edifício e o seu ambiente interno ganha relevância entre os factores atrás enunciados, uma vez que qualquer alteração da temperatura dos ambientes interiores acarreta um dispêndio adicional de esforço biológico para recuperação da condição homeotérmica, acentuando-se a sensação de desconforto e fadiga, com consequências negativas para a saúde e rendimento dos ocupantes dos edifícios [4].

Por outro lado, associado ao conforto térmico dos edifícios está o recurso a equipamentos e sistemas artificiais de climatização que representam uma importante fatia do consumo energético imputado aos edifícios, o que levanta a problemática relativa ao consumo excessivo de recursos naturais associados à produção de energia. Em Portugal, o sector residencial, com aproximadamente 3,3 milhões de edifícios, é responsável pelo consumo de 17% da energia primária em termos nacionais, representando cerca de 29% do consumo total de energia eléctrica do país [5].

Relativamente às utilizações finais da energia, a parcela dispendida para a climatização dos ambientes interiores deste tipo de edifícios assume o valor de 25% do total de energia

consumida [5], mostrando-se de relativa importância o controlo deste consumo enquanto medida que se enquadre nas políticas da sustentabilidade ambiental, tendência que tem vindo a adquirir uma crescente relevância na actualidade [6].

Em consonância com esta linha de preocupação e com o intuito de promover a melhoria do desempenho energético dos edifícios de acordo com as condições climáticas externas e locais, assim como as exigências relativas à climatização interior e rentabilidade económica [7], surge, a Directiva 2002/91/CE do Parlamento Europeu e do Conselho de 16 de Dezembro de 2002 relativa ao desempenho energético dos edifícios. Esta directiva obrigou à implementação, nos Estados Membros, de um sistema de certificação energética (SCE), que, em Portugal, se consubstanciou na revisão do Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização dos Edifícios - RSECE (Decreto-Lei nº 79/2006, de 4 de Abril), do Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios - RCCTE (Decreto-Lei nº 80/2006, de 4 de Abril) - e no desenvolvimento de um sistema de certificação energética nacional [6].

Nesta problemática do conforto e energia surgem assim dois grandes objectivos - assegurar o conforto térmico, por um lado, e limitar os consumos de energia, por outro. É fácil perceber que estes dois objectivos são de difícil conciliação, pois à melhoria das condições de conforto está normalmente associado um incremento do consumo energético, com todas as consequências económicas e ambientais daí resultantes [6].

É neste sentido, e reconhecendo que muita da legislação e regulamentação existente relativa ao projecto do desempenho térmico dos edifícios está vocacionada para a vertente do consumo energético associado à climatização artificial, que a avaliação das condições de conforto térmico proporcionadas por edifícios construídos, respeitando ou não a regulamentação, se assume de particular interesse.

1.2 O problema em estudo e a sua relevância

O piso radiante é hoje em dia uma alternativa válida aos sistemas de climatização actuais, daí a importância do seu estudo. Entre as suas vantagens pode-se destacar os seus baixos consumos energéticos, a possibilidade de ser utilizado em conjunto com uma fonte de energia renovável ou a distribuição homogénea da temperatura deste sistema, entre muitas outras vantagens.

Apesar das suas inúmeras vantagens relativamente aos sistemas convencionais, existem lacunas ou de outro ponto de vista, pormenores que podem ser melhorados, como por exemplo o seu controlo.

3 O controlo de um sistema de piso radiante torna-se relevante, pois é ele que definirá o rendimento do sistema isto tendo em conta o seu principal objectivo, criar um ambiente de conforto térmico.

Actualmente os sistemas de controlo regulam apenas a temperatura de funcionamento do piso radiante, temperatura esta que não é sinónimo de conforto térmico para os ocupantes do espaço, daí ser necessário ter em conta vários factores e parâmetros para a regulação correcta dessa mesma temperatura e consequentemente para a criação de conforto térmico. O objectivo deste trabalho vem de encontro a estas necessidades, ou seja, neste estudo foi testado num ambiente controlado um piso radiante com diferentes acabamentos da sua superfície, funcionando o mesmo em várias condições e o seu desempenho avaliado tendo em conta que o espaço no qual esta instalado é ocupado por seres humanos.

1.3 Revisão bibliográfica

Já foram desenvolvidos vários modelos matemáticos para estimar as condições de instalação e funcionamento dos sistemas de piso radiante, de forma a permitir uma melhoria na concepção destes sistemas.

Em 1994 Ho et al. [8] desenvolveram um modelo matemático bidimensional para simular um sistema de um piso radiante na cave de uma habitação, através de dois métodos. O método das diferenças finitas e o método dos elementos finitos. A partir destes métodos foi possível prever a resposta das temperaturas envolventes, quer em estado estacionário, quer em estado transitório, num sistema sem perdas térmicas. O modelo enclausura o sistema e o ambiente circundante, para permitir determinar a temperatura, tanto interna como externa.

O método das diferenças finitas exigiu mais tempo de execução e apresentou valores da temperatura mais elevados que o seu similar.

Chen e Athienitis [9] realizaram o estudo de um modelo numérico da transferência de calor em sistemas de aquecimento de piso radiante, desenvolvendo um modelo tridimensional com o método das diferenças finitas. Este método permitiu-lhes estudar a influência que a camada superior ou soalho tem sobre a distribuição da temperatura e consumo energético. O soalho e a espessura do piso tiveram várias configurações. Neste estudo utilizou-se betão ou “gypcrete” de armazenamento térmico, que foi coberto com alcatifa instalada em toda a área disponível ou alcatifa a cobrir apenas uma área parcial central e utilizou-se também soalho flutuante. Verificou-se que a alcatifa parcial centrada sobre o betão com 50 mm de espessura, revelou uma diferença de temperatura média de cerca de 2ºC entre a parte com e sem alcatifa, e uma diferença de 11ºC para regiões do painel de aquecimento. O maior tempo de atraso térmico entre os picos de potência de aquecimento fornecida e a temperatura da

superfície do piso foi observado para o piso com alcatifa (4,75 h), que também teve o maior consumo de energia (9% mais do que para o caso sem alcatifa).

Num estudo posterior, os mesmos autores [10] utilizaram a mesma metodologia para incluir o estudo da influência da radiação solar na superfície do piso radiante eléctrico, comparando a área exposta aos raios solares com a área não exposta.

Verificou-se que quando a quantidade de radiação solar incidente é alta, a temperatura superficial na área directamente iluminada pode ser de 3ºC (na manhã) a 8ºC (ao meio-dia) mais elevada do que na restante área. A temperatura da superfície segundo ASHRAE [11] não deve ser superior a 29ºC para ser confortável. Este estudo revela-se importante pois é aconselhável não ultrapassar esta temperatura. Como as radiações solares mudam de direcção ao longo do dia, a temperatura do piso vai sofrendo alterações, logo a temperatura do piso não é uniforme. A simulação de Athienitis e Chen [10] foi realizada para seis casos com várias combinações de espessura de massa térmica e do revestimento superficial. No primeiro foi analisado o efeito para o caso de ter apenas betão com 50 mm, seguidamente foi aumentada a espessura do betão para 10 cm; com o betão de 50 mm fez-se variar o revestimento superficial como alcatifa parcial no centro, alcatifa em toda a área e para o piso de madeira. Depois destes 5 tipos foi estudado o caso do betão especial “gypcret” como revestimento superficial de madeira.

Segundo Athienitis e Chen [10], a radiação solar pode causar diferenças de temperatura locais que podem chegar a 15ºC dependendo do revestimento superficial do piso. Este valor é alcançado para o caso em que o betão é coberto por alcatifa parcial ao centro. Isto demonstra a importância do estudo dos revestimentos superficiais que o piso possa ter posteriormente, como é o caso de tapetes, móveis ou objectos que possam acumular termicamente a energia solar em sítios pontuais da instalação. No caso em que o revestimento superficial é uniforme, a diferença máxima obtida foi de 8ºC. A poupança energética mais baixa foi obtida para o caso da alcatifa que cobria toda a área do betão, impedindo a acumulação da energia solar por parte da massa térmica. Os restantes casos têm poupanças de energia muito semelhantes. Em resumo, tanto o revestimento superficial do soalho como a radiação solar afectam significativamente a distribuição de temperatura no piso, bem como a temperatura do ar ambiente. Estes efeitos são muitas vezes imprevisíveis durante a fase de projecto.

Bozkır e Canbazoglu [12] utilizaram o ar quente como fonte de aquecimento do piso radiante, num estudo que resultou da análise de um modelo matemático e de um modelo experimental.

A climatização de uma habitação pode ser obtida com recurso a diversos sistemas. Tanto para arrefecimento como para aquecimento as fontes podem ser diversas, Baskin [13] fez uma análise da utilização de vários sistemas num edifício de habitação, estudando-os

5 individualmente e em cooperação. Para o aquecimento este autor fez uma comparação entre um piso radiante hidráulico e um sistema hidráulico de ar forçado. Para estes dois casos, o aquecimento do ar interior teve um comportamento muito equivalente, sem muitas variações.

Sattari e Farhanieh [14] desenvolveram uma simulação de um sistema típico de piso radiante para avaliar os efeitos dos parâmetros de design e do seu desempenho, utilizando o método dos elementos finitos. Através deste estudo, foi concluído que o diâmetro do tubo e o material de que é feito não tem influência na distribuição da temperatura ambiente. No entanto, tanto a espessura como o material do revestimento superficial demonstrou ter uma grande influência na distribuição de temperatura. Por fim, com o aumento do número de tubos, o tempo de aquecimento diminuiu. Foi demonstrado que a radiação é o mecanismo mais importante neste tipo de sistema e que deve-se ter especial atenção à espessura e ao tipo de revestimento superficial para proporcionar uma excelente transmissão de calor por radiação.

Para Scheatzle [15], além de uma análise computacional, os sistemas de piso radiante devem ter uma análise em ambientes mais parecidos com o uso doméstico, para se ter uma verdadeira percepção da sua actuação.

Scheatzle [15] monitorizou uma habitação construída especificamente para realizar experiências nos diversos tipos de sistemas de ar condicionado. Este trabalho foi realizado entre os anos 2000 a 2004. Durante este tempo foram realizadas diversas melhorias no desempenho. Foi possível monitorizar os dados para a estação fria e para a estação quente, tendo em conta os critérios padrão ASHRAE para um conforto térmico. Foi demonstrado que o sistema de piso radiante pode ser combinado com outros sistemas: desumidificação, ventilação e armazenamento térmico.

Mingqing et al. [16] desenvolveram um estudo de um sistema de aquecimento por piso radiante eléctrico com a diferença de usar lajes de argamassa preta de carbono (CBMS) como resistências de aquecimento. Este material possibilitou um aumento de 10ºC na temperatura interior em 330 minutos, em que a distribuição da temperatura em relação à altura foi uniforme.

Karadag e Akgöbek [17] desenvolveram um programa para prever a transferência de calor por convecção para um piso radiante.

Ryu et al. [18] desenvolveram um estudo que analisou os efeitos que o caudal proveniente do piso radiante tem no conforto térmico e na temperatura dentro de um apartamento, com várias divisões (sala ou quartos), através da utilização de estudos anteriores e de simulações computacionais. Foram analisados dispositivos de controlo de caudal e os possíveis problemas

que podem causar. A simulação indicou que o caudal previsto no projecto tem oscilações dependentes da área total disponível. Para uma maior área é necessária uma maior quantidade de caudal de fluido para o aquecimento e também uma área maior leva uma excessiva desigualdade na distribuição do caudal. Isto leva a que o controlo do caudal em cada zona reflicta o desempenho do piso radiante. Aliado ao controlo do caudal, também deve ser aplicado um sistema de controlo da temperatura (termóstatos) para cada zona de aquecimento, com melhorias significativas no desempenho. Os resultados mostraram que o controlo do caudal tem de ter uma especial atenção para não levar a pressões elevadas que podem causar cavitação nas tubagens. A fim de prevenir este efeito é sugerido o uso de bombas de velocidade variável e válvulas de controlo de pressão.

A interacção entre o corpo humano e o ambiente foi o tema estudado por Kilic e Sevilgen [19], onde foi analisado, através de um modelo computacional, o calor transferido para o ar ambiente e para as paredes de uma sala.

Os avanços tecnológicos na área de sensores e microprocessadores tornam possível um controlo mais avançado do conforto térmico usando painéis radiantes. Os sensores têm vindo a tornar-se mais fiáveis e menos dispendiosos graças á sua produção em massa. O mesmo acontece para os microprocessadores, que permitem o uso de sistemas de decisão mais sofisticados que conseguem escolher o modo de operação do sistema de forma a que o mesmo funcione com máximo rendimento [20]. Têm sido realizados estudos neste campo para se incorporar os parâmetros de conforto térmico no método de controlo do sistema de forma a que se garanta um ambiente interior estável e aceitável com o mínimo de consumo de energia possível. Destes estudos resultaram dois conceitos de controlo: controlo a partir do PMV (voto médio estimado) e controlo operativo.

O controlo a partir do voto médio estimado (PMV), prevê como a pessoa “vulgar” votaria usando a escala de sensação térmica da ASHRAE. A percentagem de pessoas insatisfeitas (PPD) que pode ser calculada a partir do índice PMV, é a percentagem prevista de pessoas que expressam a sua insatisfação em relação a um determinado ambiente térmico [21]. O modelo matemático de previsão, no qual é baseado o índice PMV, desenvolvido por Fanger [1] pode ser utilizado no dispositivo de controlo do conforto térmico. Este dispositivo manteria o ambiente dentro de uma gama de valores aceitáveis. Adicionalmente, como é baseado nos seis parâmetros que influenciam o PMV, o sistema de controlo poderia controlar outros dispositivos que afectariam não só a temperatura do ar ambiente como também a temperatura radiante, o movimento do ar e a humidade [20].

Lin et al. [22] desenvolveram um sistema de controlo para AVAC baseado nos índices PMV-PPD, o qual conseguia simultaneamente melhorar o conforto térmico (de 30% a 20% PPD) e reduzir o consumo energético (em 17%). Outro sistema de controlo baseado no índice PMV foi

7 desenvolvido por Freire et al. [23] com o objectivo de se adaptar aos parâmetros individuais ao mesmo tempo que providenciava um maior rendimento tanto em termos de conforto térmico como também em termos de consumo energético. Um sistema de controlo baseado no índice PMV já foi aplicado num sistema eléctrico de aquecimento de ar [24], o que permite concluir que o índice PMV pode também ser usado para o controlo de um painel radiante.

O sistema de controlo pode também ser projectado para funcionar apenas a partir da temperatura operativa. A temperatura operativa, cujo valor é muito próximo da temperatura do ar, é a temperatura uniforme de um recinto no qual o ocupante troca a mesma quantidade de calor por radiação e convecção como se estivesse num ambiente não uniforme. É a combinação de duas variáveis primárias na maior parte dos casos de condições sedentárias de conforto, a temperatura do ar e a temperatura média radiante. A temperatura média radiante desempenha um papel importante na avaliação do conforto quando são usados sistemas radiantes [20], devendo a mesma ser determinada com precisão. Determinar a temperatura operativa requer o conhecimento da temperatura da superfície do painel radiante [25] pois um aumento da temperatura da superfície do painel radiante (intensidade) deve ser compensado por um decréscimo na temperatura do ar de forma a se manter constante a temperatura operativa e o conforto térmico do ocupante [1]. Foram realizados estudos que comparam o controlo de painéis radiantes para aquecimento a partir da temperatura do ar e a partir da temperatura operativa durante condições transitórias [26] e condições estacionárias [27].

Como definido pela norma 55-2004 da ASHRAE, conforto térmico é a condição da mente que expressa satisfação com o ambiente térmico envolvente [28]. A avaliação do conforto individual é, portanto, um processo cognitivo que envolve vários inputs influenciado por factores físicos, psicológicos e outros factores. Fanger [1] fundiu uma teoria filosófica e uma evidência estatística da resposta humana e desenvolveu um modelo matemático de predição de sensação térmica. De acordo com Fanger, seis variáveis de conforto (nível de actividade, isolamento do vestuário, temperatura do ar ambiente, temperatura média radiante, velocidade do ar e humidade relativa) produzem um índice único que pode ser usado para prever as condições de conforto, i.e. Voto Médio Estimado (PMV). Fanger [29] definiu o Voto Médio Estimado (PMV) como o índice que prevê ou representa o voto médio de sensação térmica numa escala padrão para um grupo de várias pessoas para qualquer combinação de variáveis térmicas ambientais (temperatura do ar, humidade do ar, velocidade do ar e temperatura média radiante) e variáveis pessoais (nível de actividade e isolamento do vestuário). Qualquer uma destas variáveis pode ser medida usando referencias ou através de normas internacionais. Olessen [30] apresentou uma lista abrangente destas normas. A norma ISO 9920-1993 contém uma vasta base de dados dos valores de isolamento térmico para o vestuário, a qual resulta de medições feitas num manequim. A norma ISO 8996-1989 apresenta as taxas da produção metabólica de calor, pois a avaliação térmica de ambientes

requer uma estimativa da taxa metabólica dos ocupantes que é reflexo do nível de actividade física que estão a desenvolver.

Todas as variáveis ambientais podem variar tanto temporalmente como também no espaço em relação ao corpo ocupante [31]. Saoki et al. [32] reconheceram que com excepção do nível de actividade, todos os factores do modelo do PMV influenciam o estado térmico do ser humano através dos processos de transferência de calor na superfície da pele.

Como a necessidade energética para aquecimento e arrefecimento é directamente afectada pelo nível de conforto térmico pretendido, determinar a relação entre conforto térmico e necessidade energética (custos de funcionamento) tem uma importância fundamental para se definir os valores de referência para os contratos dos serviços de energia e para classificar o sistema de acordo com a directiva europeia 2002/92/CE [33]. Nos anos recentes, tem havido um crescente interesse na avaliação da necessidade energética para o aquecimento e arrefecimento de edifícios (desempenho energético de edifícios). Vários estudos provaram que incorporar sistemas de aquecimento radiantes no projecto de edifícios tem a vantagem de reduzir o consumo de energia assim como manter um nível aceitável de conforto térmico. A partir deste conceito, foram desenvolvidos estudos de projecto de sistemas de aquecimento radiantes com controlos baseados em parâmetros ambientais relevantes para o conforto térmico. Investigadores desenvolveram métodos automatizados para o projecto de painéis radiantes para aquecimento baseados na temperatura média radiante [34] ou estratégias de projecto baseadas em critérios de conforto térmico [35].

1.4 Objectivos e contribuição da dissertação

Este trabalho teve como objectivos o estudo do funcionamento de um piso radiante hidráulico com dois tipos de acabamento da superfície aproximadamente com a mesma espessura, a cerâmica assente com cimento cola e o piso flutuante laminado assente sobre feltro de polietileno. Este estudo realizou-se numa câmara climática com ambiente controlado no qual o piso foi sujeito a várias temperaturas ambiente e de funcionamento (temperaturas de insuflação da água) com o propósito de simular condições de inverno (aquecimento) e verão (arrefecimento).

Foi também tido como objectivo o estudo do impacto do funcionamento do piso no interior da câmara climática, mais especificamente nas condições internas de conforto térmico para a ocupação da mesma por seres humanos.

1.5 Visão geral e organização da dissertação

Esta dissertação é constituída por 6 capítulos. O capítulo 1 apresenta o tema em estudo, o seu enquadramento e os estudos feitos na mesma área. Refere ainda a importância do estudo

9 realizado no âmbito desta dissertação, os objectivos propostos e contributos que este estudo poderá trazer para desenvolvimentos nesta área.

O piso radiante, os diferentes tipos de aplicação, detalhes de funcionamento, construção e instalação são introduzidos no capítulo 2. Neste capítulo é destacado o piso radiante hidráulico assim como todos os pormenores e características de funcionamento referente a este tipo de piso radiante. Este capítulo é concluído com uma síntese das vantagens referentes à utilização do piso radiante.

No capítulo 3 é feita uma introdução do conforto térmico. Neste capítulo é indicada a norma de utilizada neste estudo para o cálculo dos índices de conforto térmico, onde os mesmos são descritos, assim como todos os parâmetros necessários para o seu cálculo.

O capítulo 4 descreve a instalação experimental utilizada para este estudo, sendo descritos pormenorizadamente os seus constituintes, o piso radiante, a câmara climática e os equipamentos de aquisição de dados.

Os ensaios são descritos no capítulo 5 assim como também é descrito o procedimento experimental para a realização dos mesmos. Neste capítulo são também apresentados e analisados os resultados, análise esta subdividida em três subcapítulos. Estes três subcapítulos referem-se aos três tipos de análise dos resultados.

No capítulo final (capitulo 6) são apresentadas as conclusões finais deste estudo que, para uma análise mais fácil, foram subdivididos consoante o tipo de conclusão tendo em conta os objectivos deste trabalho.

11

2. Piso Radiante

Os registos mais antigos da utilização de piso radiante remontam aos anos 100 a.C., sendo desenvolvido pelos norte coreanos para melhorar o conforto térmico nas regiões mais frias do país. O sistema consistia em tornar todo o chão da habitação num imenso irradiador de calor, através do aquecimento da laje de pedra da qual o chão era feito [36]. A cozinha era construída por baixo das divisões da edificação, assim o fogo usado para cozinhar era também utilizado para aquecer toda a casa. Durante a mesma altura os romanos utilizavam também um sistema semelhante de aquecimento.

Nas décadas de 1950 e 1960, as instalações na Europa Central de piso radiante para aquecimento usavam tubagens de aço e de cobre. Infelizmente, nesta altura, os edifícios não possuíam bons isolamentos térmicos, o que obrigava a que os pisos radiantes trabalhassem com temperaturas elevadas para que assim conseguissem aquecer as habitações, o que fez com que os sistemas de piso radiante ficassem com má reputação. No final da década de 1970, a introdução de tubagens de plástico para pisos radiantes de aquecimento fez com que a utilização dos mesmos fosse habitual especialmente em países como a Alemanha, Suíça, Áustria e países nórdicos. Actualmente, as tubagens de plástico tipo PE-X são os mais usados [37].

Ao contrário dos sistemas convencionais de aquecimento e arrefecimento que condicionam os espaços principalmente por convecção, os sistemas de piso radiante condicionam apenas o chão que por sua vez irradia calor directamente para os ocupantes ou objectos, ou então absorve o calor emanado pelos ocupantes ou objectos. Os sistemas radiantes de aquecimento ou arrefecimento podem ser instalados separadamente, ou então utilizar a mesma infra-estrutura para providenciar aquecimento ou arrefecimento.

Os sistemas de piso radiante podem funcionar a partir de qualquer fonte de calor ou de frio que utilize qualquer tipo de combustível ou de energia [38].

O que define e caracteriza um painel radiante para aquecimento ou arrefecimento é a sua capacidade de transferir mais de 50% da sua energia de forma radiante (ASHRAE). A restante energia é transferida por meio de condução ou convecção. Enquanto a radiação é a principal forma de transferência de calor num painel radiante, a segunda forma de transferência é normalmente a convecção. A estratificação térmica é usualmente inferior em sistemas radiantes relativamente a sistemas convectivos, que são caracterizados pela flutuabilidade do ar que permite assim a distribuição do calor de uma forma mecanicamente natural [38].

Figura 2.1 – Exemplo da distribuição de temperaturas para vários sistemas de aquecimento [39]

Os sistemas de piso radiante podem ser acomodados em habitações com varias configurações e com variados tipos de superfícies. Os painéis radiantes efectuam a transferência de calor recorrendo (entre outros) a sistemas eléctricos ou hidráulicos dispostos em várias configurações de projecto. As características radiantes das superfícies utilizadas actualmente não afectam significativamente o processo radiante de transferência de calor pois os materiais utilizados têm uma emissividade de 0,85 ou superior. No projecto o factor mais importante a ter em conta para o desempenho do piso radiante é a resistência térmica do material utilizado que separa a fonte geradora de calor e a superfície do piso radiante [38].

Os sistemas de piso radiante podem também ser caracterizados por terem perdas térmicas mínimas em sistemas hidráulicos e não terem qualquer tipo de perda em sistemas eléctricos. Enquanto os sistemas de transmissão de calor por convecção podem ter perdas de 20% a 40% ou mais devido às perdas nas tubagens necessárias para transportar a energia da fonte até ao espaço ocupado [38].

A escolha do sistema de aquecimento pode ainda afectar o desempenho do edifício em termos da humidade relativa devido ao aumento de infiltrações. Os sistemas de piso radiante não aumentam significativamente a temperatura do ar relativamente à temperatura ambiente, enquanto os sistemas convectivos fazem aumentar significativamente o diferencial de temperaturas entre a temperatura exterior e interior. Além disso, o efeito do elevado diferencial entre a temperatura exterior e interior da habitação faz aumentar as infiltrações de ar seco e frio proveniente do exterior, que provoca assim uma redução do valor da humidade relativa interior [38].

Eliminar ou a reduzir o uso de ar para distribuir ou remover energia, é reduzir também a principal fonte de propagação de pólen, pó, bactérias e germes [38].

2.1 Modos de funcionamento

O piso radiante pode funcionar com dois objectivos distintos, aquecimento e arrefecimento. Apesar de actualmente ser usado essencialmente com o propósito de aquecimento devido aos

13 seus inúmeros benefícios, o piso radiante apresenta também várias vantagens se for usado para arrefecimento.

2.1.1 Piso radiante para arrefecimento

O piso radiante para arrefecimento é apenas usado para o arrefecimento sensível, pois o arrefecimento latente (i.e., desumidificação) resultaria em condensação na superfície de arrefecimento, o que criaria problemas resultantes da humidade. Este facto faz com que seja necessário um sistema de arrefecimento de apoio para tratar das cargas térmicas latentes, exceptuando em climas secos, onde o sistema de arrefecimento para cargas latentes não é necessário.

Para prevenir a condensação, a temperatura da superfície radiante de arrefecimento tem de ser mantida a um valor não inferior ao ponto de orvalho (por exemplo 13ºC se a temperatura de bolbo seco e a humidade relativa forem 24ºC e 50% respectivamente). Para tal, é aconselhável manter-se uma temperatura mínima de aproximadamente 18ºC na superfície do piso de forma a providenciar-se uma margem de segurança relativa à condensação e para evitar que os ocupantes sintam que o chão está frio [44]. Embora este valor de temperatura condicione a capacidade de arrefecimento sensível, existem dois grandes benefícios energéticos para o uso de arrefecimento radiante. O primeiro, devido á relativamente alta temperatura da superfície quando comparada com as convencionais serpentinas dos evaporadores, que faz com que eficiência de arrefecimento seja 25% superior. Segundo, a capacidade de arrefecimento é aplicada directamente no interior do espaço sem ser necessária qualquer movimentação do ar, o que normalmente consome entre 10% a 20% do consumo de energia de um sistema convencional de ar condicionado.

Combinar um piso radiante com um sistema dedicado de circulação de ar entre o interior e o exterior é uma aplicação particularmente vantajosa, pois o sistema pode assim desumidificar o ar proveniente do exterior, reduzindo assim a humidade em todo o edifício [45-47].

Em geral, quando o principal propósito do piso radiante para aquecimento/arrefecimento é arrefecimento, o tecto e as paredes são usadas como superfícies radiantes devido á convecção natural que melhora o processo de arrefecimento. A juntar ao facto da convecção natural, o facto de por vezes o piso estar coberto por carpetes ou outros tipos de materiais faz com se reduza a sua capacidade de arrefecimento ao contrário das paredes e tecto que conseguem transmitir directamente para o espaço a sua capacidade de arrefecimento.

2.2 Tipos de piso

Existem três tipos de piso radiante: piso radiante a ar quente, eléctrico e hidráulico. Estes três tipos de piso podem ser subdivididos segundo o tipo de instalação: aqueles que fazem uso da capacidade da massa térmica da laje de betão ou argamassa na qual as tubagens estão

embebidas (instalações “molhadas”), e aquelas em que as tubagens do piso radiante são ensanduichadas entre duas camadas de contraplacado de madeira ou instaladas directamente sob a superfície do piso (instalações “secas”).

Figura 2.2 – Exemplo de uma instalação “molhada” e “seca” respectivamente [39]

2.2.1 Piso radiante de ar

Devido ao facto de o ar não conseguir manter grandes quantidades de calor, os pisos radiantes de ar quente não se tornam rentáveis em aplicações habitacionais e são raramente implementados. No entanto a sua instalação pode ser feita combinando-se com sistemas de aquecimento solar de ar, mas como é óbvio esses sistemas têm a desvantagem de apenas funcionarem durante o dia, quando a necessidade de aquecimento é baixa. Alguns destes sistemas tentam colmatar esta desvantagem utilizando a inércia térmica das paredes para armazenar calor, apesar de esta abordagem não ser recomendada [40].

Figura 2.3 - Piso radiante por circulação de ar [41]

2.2.2 Piso radiante Eléctrico

Os pisos radiantes eléctricos consistem basicamente em resistências eléctricas embutidas no piso.

Devido aos preços relativamente altos da electricidade, normalmente a aplicação deste tipo de piso radiante só é rentável quando o fornecedor de energia eléctrica dispõe de taxas de

15 utilização especificas que beneficiam este tipo de aplicação e quando na sua aplicação são utilizados materiais que possuam uma massa térmica significativa. Por exemplo uma taxa de custo reduzido para uma utilização durante o período nocturno permite que se “carregue” o betão com calor durante a noite. Se a capacidade térmica do betão for suficientemente grande, isso vai permitir que o calor armazenado no betão seja o suficiente para manter a casa confortável durante um período de 8 a 10 horas, sem ser necessário recorrer à energia eléctrica.

Figura 2.4 – Exemplo de uma instalação de um piso radiante eléctrico [42]

2.2.3 Piso radiante Hidráulico

Nas instalações de piso radiante hidráulico as tubagens de plástico tipo PE-X (polietileno reticulado) são actualmente as mais utilizadas [37]. Este tipo de material é utilizado devido ao seu custo, a sua não reacção com a argamassa e durabilidade. Outro material utilizado são tubos de copolímero de polipropileno, com uma grande vantagem do seu custo. O preço do cobre tem reforçado o uso de materiais alternativos, tais como os referidos anteriormente (PE-X e copolímero de polipropileno). O PE-X está disponível em várias formulações que possuem diferentes características de rigidez, flexibilidade, tolerância de temperatura, pressão de força, estabilidade química, resistência e eficiência de transferência de calor. Embora o PE-X (figura 2.5) tenha variações de diferentes marcas, existe uma característica comum, que é a de oferecerem um desempenho fiável e de longa duração [38].

O tubo ilustrado na figura 2.5 é um tubo de multi-camada, com uma estrutura formada por três capas sobrepostas: uma camada interna de polietileno reticulado (PE-X), uma camada intermédia de alumínio e uma camada exterior de polietileno. Este tubo apresenta múltiplas vantagens, porque tem uma menor dilatação, é impermeável ao oxigénio, não é corrosivo pelo exterior e pelo interior, é flexível e adaptável.

A estrutura de um piso radiante hidráulico é semelhante ao de um piso radiante eléctrico. A figura 2.6 ilustra a estrutura típica de um piso radiante.

Figura 2.6 - Exemplo típico de uma instalação tubular de um piso radiante hidráulico [39]

Sempre que o piso possa transmitir humidade, é necessário colocar entre o piso e o revestimento superficial do piso uma barreira anti-vapor (figura 2.7). Este material tem a missão de evitar a passagem de humidade para a superfície. Watson e Chapman [38] revelam que a pressão nominal no piso para aquecimento é definida pela norma ANSI/NFS 14.

Figura 2.7 – Barreira anti-vapor [43]

2.3 Instalação

Sejam cabos ou tubagens, o método de instalação sistemas dos pisos radiantes eléctricos e hidráulicos é semelhante.

17 As instalações “molhadas” consistem em colocar os cabos ou as tubagens num piso sólido, sendo este o tipo de aplicação mais antigo. As tubagens ou cabos podem ser embutidos em placas de betão, numa camada de argamassa ou em qualquer outro material.

Os sistemas aplicados em placas de betão espessas possuem uma grande massa térmica, o que os torna ideais para armazenar calor proveniente de sistemas de energia solar, os quais têm uma produção flutuante de calor. A desvantagem de placas espessas é sua resposta lenta a variações térmicas, o que faz com que retrocessos sejam difíceis ou mesmo impossíveis. A maior parte dos especialistas recomenda que se mantenha uma temperatura constante com este tipo de instalações.

Devido a recentes inovações na tecnologia de pisos radiantes, as chamadas instalações “secas”, nas quais os cabos ou tubagens são aplicados directamente em canais de ar sob a superfície do piso, têm vindo a ganhar popularidade, principalmente porque este tipo de instalação é mais rápido e menos dispendioso. Mas devido ao facto de as tubagens ou cabos estarem instalados em espaços com ar, faz com que estas tenham que operar com temperaturas mais altas.

2.4 Disposição das tubagens/resistências eléctricas

Os principais parâmetros de projecto de um piso radiante são a distância entre tubagens, caudal de água (diferença de temperatura entre a entrada e saída do piso) e a disposição das tubagens [49].

Antes da instalação do sistema, deve ser feita uma estimativa da carga térmica da casa quarto a quarto. A estimativa das cargas térmicas da habitação vai definir as características e disposição da instalação. Para além do factor das cargas térmicas a disposição das tubagens e o seu espaçamento é feito tendo em conta o tipo de revestimento do piso ou o seu isolamento [50].

2.5 Temperaturas da superfície do piso

As normas internacionais [51-53] recomendam que as superfícies dos pisos radiantes em zonas ocupadas, para quartos com ocupantes sedentários com calçado normal funcionem numa gama de temperaturas compreendidas entre 19ºC e 29ºC. Este é um factor limitativo para a capacidade dos pisos radiantes. Para o aquecimento, a temperatura máxima é de 29ºC, enquanto para arrefecimento, a temperatura mínima é de 19ºC. Em espaços em que os ocupantes andem descalços, a temperatura óptima de conforto depende também do tipo de material da superfície.

2.6 Tipos de acabamento da superfície

Apesar dos ladrilhos de cerâmica serem os mais usados como revestimento para os pavimentos, qualquer tipo de revestimento pode ser usado. No entanto, alguns têm desempenhos melhores do que outros devido as diferentes resistências térmicas. Um material com uma elevada resistência térmica pode isolar o piso reduzindo ou abrandando a transferência térmica entre o espaço interior e o piso, o que consequentemente faz aumentar o consumo de energia necessária.

A maior parte dos fabricantes recomenda o uso de madeira laminada em vez de madeira sólida. Isto reduz as hipóteses da madeira secar e consequentemente encolher e abrir fendas devido às altas temperaturas.

2.7 Capacidade de aquecimento e arrefecimento

A capacidade de aquecimento e arrefecimento de um piso radiante depende da transferência de calor entre a superfície do piso e o espaço interior (coeficientes convectivo e de radiação), da transferência de calor por condução entre a superfície do piso e as tubagens ou cabos (tipo de revestimento do pavimento, tipo de cimento, tipo de instalação, espessura da placa, espaço entre tubagens/cabos) e transporte de calor pela água (caudal de água, diferença de temperatura da água entre a entrada e saída) [54].

2.8 Mecanismos de transferência de calor

Transferência de calor é o processo pelo qual a energia passa de um corpo quente para um corpo frio. A transferência de calor é um fenómeno unidireccional que ocorre apenas do corpo quente para o corpo frio. É impossível inverter o processo sem recurso a energia adicional. Um refrigerador move o calor do seu interior relativamente frio para uma sala mais quente, mas isto á custa da energia necessária para operar o compressor de refrigeração. Por convenção, o calor a sair do controlo de volume é considerado negativo e o calor a entrar no volume de controlo é considerado positivo.

19 No caso experimental em estudo o volume de controlo é a câmara climática onde está instalado o piso radiante, e onde podem ocorrer três processos de transferência de calor: convecção, condução e radiação. Estes três tipos de transferência de calor estão ilustrados na Figura 2.9 é extremamente importante ter em conta e perceber que, com excepção do ambiente em vácuo, todos estes processos ocorrem simultaneamente.

Figura 2.9 – Métodos de transferência de calor dentro da câmara climática [38]

Referindo a Figura 2.9, a condução é definida como sendo a taxa de energia transportada através de um sólido. Na Figura 2.9, a condução é representada como o calor transportado através da parede da câmara. Como seria de esperar (para o modo de aquecimento), a direcção do transporte de calor é feito da zona quente para a zona fria, ou seja do interior da câmara para o exterior. Matematicamente, a condução é proporcional á diferença de temperatura e espessura da parede e é descrita pela seguinte fórmula:

A constante de proporcionalidade que relaciona a taxa de transferência de calor pela razão da diferença de temperatura pela espessura da parede é chamada de condutividade térmica. A condutividade térmica do material é designada por K. A razão ΔT/Δx é o gradiente de temperatura ao longo da parede. Para aumento da precisão, e para permitir variações na condutividade térmica do material com a temperatura, a espessura da parede é reduzida a zero. A equação para a condução de calor fica então assim:

A convecção representada na Figura 2.9 é a taxa de energia que é transferida por um fluido em movimento sobre uma superfície sólida. A convecção é ilustrada como o calor transferido da superfície da parede para o ar da câmara. A convecção pode também ser forçada, devido a um ventilador ou de forma natural, fenómeno este devido á natureza flutuante de um fluido

(2.1)

relativamente quente. Matematicamente, a transferência de calor por convecção numa superfície é dado por:

O parâmetro h é o coeficiente de transferência de calor, é a temperatura do fluido, e é a temperatura da superfície sólida i. Os coeficientes de transferência de calor são obtidos a partir de extensos dados bibliográficos de dados experimentais (ASHRAE Handbook [11], Incropera e DeWitt [54], entre outros). Estes dados experimentais incluem a velocidade do fluido, temperatura do fluido e superfície e propriedades do fluido.

A transferência de calor por radiação, indiscutivelmente o método mais complexo de transferência de calor, é a taxa de transferência de calor de uma fonte quente para um corpo frio através de ondas electromagnéticas. A transferência de calor por radiação é o único processo que consegue transferir energia no vácuo. Na Figura 2.9, a radiação é ilustrada como sendo a taxa de energia transferida directamente do piso radiante para a parede da câmara. A transferência de calor por radiação da parede para o tecto da câmara é também ilustrada na figura. A transferência de calor por radiação da superfície j para a superfície i é normalmente simplificada na seguinte fórmula:

A seta dupla representa a interacção da transferência de calor da superfície j para a superfície i. O parâmetro ε é a emissividade da superfície, que varia entre zero para uma superfície reflectiva e um para uma superfície completamente absorvente. O parâmetro σ é a constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10 W/m

-²K-4). O factor de forma, denotado por , representa a configuração geométrica dos itens dentro do volume de controlo. Para a maior parte das aplicações o factor de forma é aproximadamente de 0,8 a 0,9. Um caso especial de factor de configuração é quando uma superfície é demasiado pequena comparada com a outra, neste caso o factor de configuração é 1,0.

2.8.1 Transmissão de calor no piso radiante

A avaliação da eficiência do painel radiante é essencial para determinar as dimensões e avaliar o consumo de energia. A análise do balanço energético da superfície aplica a primeira lei da termodinâmica para a superfície do piso. A Figura 2.10 mostra os factores de resistência térmica, representada por Watson e Chapman [38].

(2.3)

21 Figura 2.10 - Esquema da resistência térmica para um sistema de piso radiante [38]

Descrição da simbologia utilizada na Figura 2.10 [38]:

 Rsuperior -resistência térmica do elemento de aquecimento e a superfície do piso

(RSuperior = Rc +Rp-c +Rp) onde:

o Rp - resistência térmica do painel superior;

o Rp-c - resistência térmica na entre o tubo e o painel

superior por unidade de espaço;

o Rc - resistência térmica da parede do tubo por unidade de

espaço;

 RCobertura – resistência térmica do revestimento superficial do piso (de vinil, tapete,

etc).

 RInferior - resistência térmica total entre o elemento de aquecimento ou de

arrefecimento e a parte de trás do piso radiante.

 Edifício - resistência térmica total do elemento de construção (teto, piso, etc.) parte

inferior do painel.

 RRadiação -resistência térmica de transferência de calor por radiação.